Aviões, como qualquer outro corpo com massa, apresentam uma resposta a distúrbios, devido a sua inércia. Por exemplo, um carro, ao passar por um buraco, oscila até voltar a sua condição inicial. A isso damos o nome de estabilidade, quando um sistema ao ser tirado da sua condição de equilíbrio, volta a essa condição. Porém alguns sistemas, como um pêndulo invertido, são estaticamente instáveis, têm apenas uma condição de equilíbrio, ao serem perturbados jamais voltam a sua condição inicia. Quando um sistema tem essas características ele é estaticamente instável.
Quando o corpo tenta retornar ao equilíbrio, mas oscila em torno do mesmo, dizemos que ele é dinamicamente instável. Podemos associar essa tendência de se equilibrar como uma estabilidade estática, porém o fato de ele oscilar aumentando cada vez mais seus movimentos o caracteriza como um sistema dinamicamente instável.
Dinâmicas possíveis do avião
(Fonte: Aerodinâmica e Teoria de Voo)
Quando deixamos o mundo bidimensional e nos atemos à dinâmica dos aviões, percebemos que existem oscilações nas três direções, representadas pela dinâmica longitudinal (arfagem), lateral (rolamento) e direcional (guinada). Dessas três podemos desacoplar a dinâmica longitudinal, pois seu movimento é praticamente independente dos outros dois, podendo ser analisado separadamente. Já os outros dois tem um alto acoplamento dinâmico e são analisados de forma conjunta como movimento latero-direcional.
Essa análise de estabilidade não leva em conta nenhuma ação do piloto ou sistema de controle artificial. É simplesmente a resposta dinâmica do avião aos distúrbios. As equações de movimento basicamente são obtidas da segunda lei de Newton para rotação e translação de um corpo rígido, não considerando apenas uma massa concentrada, mas um corpo com massa distribuída e momentos de inércia.
Hoje, vamos abordar apenas a estabilidade longitudinal, que está relacionada principalmente a posição da geração de sustentação com a posição do CG da aeronave, ou seja, o ponto de aplicação da força peso. Tratando primeiramente dos casos mais tradicionais em que as aeronaves são tanto estaticamente como dinamicamente estáveis, ao sofrerem um distúrbio, elas apresentam uma dinâmica muito peculiar. Primeiramente, oscilam rapidamente em torno da condição de equilíbrio, sem variar a altura, mas com variação do ângulo de ataque. Essa oscilação é muito amortecida e rapidamente se dissipa, porém a energia adicionada não é totalmente perdida e a aeronave continua com um movimento de amplitudes bem maiores, aumentando sua altitude e variando a velocidade (ao subir a velocidade diminui e ao descer ela aumenta) de forma lenta. Esses movimentos são chamados de período curto e fugoidal, respectivamente.
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Período curto
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Período longo
Em seguida, vamos mostrar o que acontece com a simulação de um A300 feita em software computacional ao passar por uma rajada de vento. A condição inicial é de 9000 m e 300 m/s.
Movimentos de período curto e longo, respectivamente.
Podemos perceber que num curto período existe uma oscilação que rapidamente cessa e outra que continua por bastante tempo com um amortecimento muito pequeno. Também se percebe que devido à rajada ascendente o avião tende a ganhar altitude. Essa ação acontece devido ao acoplamento da altitude do avião nas equações do movimento.
Para a análise da estabilidade estática do avião, devemos primeiro achar um ponto de aplicação da sustentação resultante entre a asa e o estabilizador horizontal, a posição dessa resultante chama-se ponto neutro. Se o CG do avião estiver à frente do ponto neutro, um momento gerado após uma rajada ascendente tenderá a fazer com que o avião desça o nariz e retorne ao equilíbrio. Caso o contrário aconteça, o avião tenderá a subir cada vez mais.
Diferenças nas condições de estabilidade e instabilidade estática do avião
(Fonte: Aerodinâmica e Teoria de Voo)
Um avião com muita estabilidade, a princípio pode parecer algo bom, porém excesso de estabilidade deixa os comandos pesados, porque os comandos nada mais são que distúrbios impostos pelo piloto à condição de equilíbrio e o avião muito estável não responderá a esses comandos, mantendo sua atitude. Aviões que precisem de alta manobrabilidade como caças, por exemplo, são naturalmente instáveis, para serem altamente manobráveis, e usam sofisticados sistemas de controle para criar uma estabilidade fictícia para o piloto.
Quando o piloto quer modificar a atitude de voo de um avião estaticamente estável, por exemplo, subir, ele deflete o profundor para cima (cabra o manche) e o avião eleva o nariz. O momento restaurador (estabilidade) irá contrapor o momento gerado no profundor até que o avião fique na nova condição de equilíbrio. Um avião instável, ao cabrar, devido ao momento não restaurador, irá subir o nariz cada vez mais, obrigando ao piloto ceder o manche (picar) até o momento do profundor equilibrar o momento instável do avião. Ou seja, um avião instável ao se elevar primeiro cabra o manche, mas seu esforço final será de picar o manche, o que se torna não intuitivo e esse é o motivo que um avião deve ser estável, mesmo que artificialmente.
A figura a seguir ilustra isso, relacionando o coeficiente de momento da aeronave (Cma) com o ângulo de ataque. Entenda que ângulos de ataque maiores correspondem a velocidades menores e altitudes maiores, é como se o avião subisse. O contrário também é valido. Os valores de δ são as várias deflexões do profundor. No caso da figura o avião está descendo para uma nova condição de equilíbrio (Cma=0).
Gráficos de estabilidade estática de aviões.
Por hoje é só e um grande abraço.
Bruno Rangel Pacheco
